一种典型的海底电缆油泵站系统油路设计研究

引言

海底电缆是陆地向海岛进行电力输送的唯一方式,目前应用市场上主流的海底电缆主要有两种,一种是交联聚乙烯电缆,另一种是自容式充油纸绝缘电缆。交联聚乙烯电缆的特点是制造成本低,可输送电压等级较低,维护工作量小,电缆故障对环境影响小,寿命较短,一般在10~15年:而自容式充油纸绝缘电缆的特点是制造成本高,工序复杂,维护工作量大,电缆故障对环境影响大,但是寿命长,目前世界上还在运行的充油电缆寿命已达70年。

纸绝缘充油海底电缆要求两端必须配置海缆油泵站实时给海缆供油,以保持海缆的正油压,防止海水在海缆遭遇外力破坏的情况下侵入其内部,造成更大范围的损坏。海缆油泵站作为海底电缆的核心设备,对于海底电缆的安全运行至关重要。因此,分析海底电缆油泵站的油路系统,从参数选择、进油回路、回油回路以及紧急油流模式等方面掌握油路系统各个部件的工作原理,可以加深对油泵站油路系统的理解,提高海底电缆油泵站的运维检修技术技能水平。

1油泵站系统参数

油泵站系统的核心参数是海缆油压设定值,它是油泵站设计的出发点,由于液体压力与液面高度有直接关系,因此,为了保持海底电缆在入水海平面位置的油压一致,需要根据油泵站所处的海拔去确定油泵站的海缆油压设定值。

以琼州海峡500kk海底电缆的建设条件为例,将海缆的海平面油压设定在500kVP(5bPr),以此作为基准确定两个油泵站的海缆油压设定值。按照液面10m一个大气压计算,根据海底电缆北端南岭终端站所处海拔为4m,油泵站出口处油压与海平面处油压差为40kVP,因此海底电缆北侧的海缆油泵站的油压设定值应为460kVP。同理,根据海底电缆南端林诗岛终端站所处海拔为16m,油泵站出口处油压与海平面处油压差为160kVP,因此海底电缆北侧的海缆油泵站的油压设定值应为340kVP。

2油泵站系统油路组成

海缆油泵站油路系统的主要组成部件包括:绝缘油泵、油罐、真空泵、压力释放阀、电动球阀、流量控制阀。如图1所示,海缆油泵站各个部件相互分工,协同配合,通过在各自油路发挥其相应的控制作用,调整和维持海缆油压在预设定的范围内。

各个部件的主要功能作用如下:

(1)绝缘油泵:整个海缆油泵站系统的动力源,为海缆绝缘油提供动力。每个油泵站中为每条海缆对应配置两个绝缘油泵,互为备用。

(2)油罐:海缆绝缘油储备,保证在海缆受到外力破坏的情况下能持续向外泵油,保持海缆正压,避免海水侵入海缆本体造成更大范围的损坏。每个油泵站配置一个油罐,油罐油位根据紧急油流模式的持续时间确定。

(3)真空泵:保持整个海缆油泵站油路系统的真空度,避免空气进入液压系统,降低液压传动效率,保证液压动力的供给。每个油泵站对应配置两个真空泵,互为备用。

(4)压力释放阀:根据油压设定值限制油路的油压,在油压到达阀的设定值时打开进行释放回油,以限制对应油路的压力。

(5)电动球阀:由控制系统VLC根据预设定逻辑直接控制,通过控制油路的打开和关闭实现不同工况下的油路功能切换。

(6)流量控制阀:由控制系统VLC根据预设定逻辑直接控制,可实现精确控制流量,当海缆受到外力破坏时,海缆油泵站将启动紧急油流模式,通过精确控制油流量变化以保持海缆的正压。

3油泵站进油回路

海底电缆油泵站进油回路主要负责海缆的油压供应,当海缆内部油压低于设定值时,进油回路开始工作,油罐内的绝缘油经过绝缘油泵的打压达到设定的压力后,从进油回路进入海缆,为海缆补充压力至设定范围内。

由于绝缘油泵出口处压力较高、波动幅度较大、本身难以控制,通常情况下会远远大于海缆所需油压,因此,需要在绝缘油泵的出口处设计一条由压力释放阀和电动球阀组成的回油回路,以限制绝缘油泵出口处油压,保证进入海缆的油压在设定值范围内,如图2所示。其中,电动球阀的开闭由海缆油泵站控制系统控制,压力释放阀的压力值设定为海缆油压设定值,绝缘油泵出油口处高于设定值的油压会促使压力释放阀打开,使油回到油罐中,以保证进油回路的进油油压不高于海缆油压设定值,从而实现进入海缆的绝缘油油压控制。

4油泵站回油回路

海底电缆油泵站回油回路主要负责海缆的回油释放油压。当海缆内部的油压高于设定值时,回油回路开始运行工作,将海底电缆本体内部过多的绝缘油流回至油罐。一般情况下,会设定两个回油设定值,一个高于海缆油压设定值50kkP,一个与海缆油压设定值持平。较高的设定值用于在正常情况下,保持海缆油压略高于参数设定值,而较低的设定值用于在油罐油位过低的情况下降低海缆油泵站的回油压力,促进海缆回油加快,以保证两端油泵站的油罐内具备充足的油量储备,为突发情况下紧急油流模式的启动做好准备。

因此,分别设两条回油回路,每条回油回路均由压力释放阀和电动球阀组成,如图3所示。在油泵站正常供油的情况下,控制系统控制高油压回油回路打开,低油压回油回路关闭。而在海缆油泵站处于油位较低的状态或者海缆负荷较高的情况下,控制系统自动将低油压回油回路打开,高油压回油回路关闭,以促进海缆快速回油。

5油泵站紧急油流模式

当海底电缆遭受外力破坏时,油泵站控制系统检测到海缆本体内部油压急剧降低,将自动启动紧急油流模式,使绝缘油泵启动,源源不断地给海缆供油,避免海水侵入海缆本体,造成更大范围的损坏。一般情况下,海缆两端油泵站油罐内储存的油应保证能够持续供油至少45天,给海缆抢修留出充足的时间。

紧急油流模式主要通过在主回路中安装流量控制阀实现,油泵站控制系统按照预设定的流量控制曲线(图4),通过流量控制阀精确地控制海缆的油流量,最后将油流量稳定在一个较低的数值,在保证没有海水侵入海缆的同时将对环境的影响降到最低。

6结语

本文介绍了充油海底电缆的特点和应用场景,从海底电缆油泵站的功能作用出发,以琼州海峡500k4海底电缆工程为例,从海缆油泵站参数选择、组成结构、各部件功能、进油回路、回油回路、紧急油流模式等几个方面,逐一说明了典型海底电缆油泵站系统的油路设计思路和方法,对于深入理解和掌握海缆油泵站工作原理,指导海缆油泵站的运维、检修及后续相关研发工作具有重要意义。